Введение в физику компьютерной графики.

Признак опытного CG-специалиста – это использование физически корректного процесса работы. Если вы будете работать в соответствии с физическими законами (или так близко к ним, как позволяет ваше знание физики и математики), то вы получите более предсказуемый результат.

Лучшие способы получить худшую 3D-картинку.

• Не используйте глобальное освещение (Global illumination - GI) – оставляйте 100% черные тени. Также можно просто чрезмерно засветить картинку.

• Использовать только процедурные шейдеры и ни в коем случае не прибегать к вручную нарисованным текстурам. Можно также использовать элементарные повторяющиеся (тайленые - tiled) текстуры.

• В текстурах максимально использовать: 100% белый, 100% черный и чрезвычайно насыщенные цвета.

• Не используйте отражательную способность материалов и тем более не делайте текстур для передачи свойств отражения.

• Если вы (по какой-то ненормальной причине) решили использовать отражения, то используйте только зеркальное отражение и ни в коем случае не размывайте его.

• Под любым поводом игнорируйте такую вещь как френелевское затухание (Fresnel falloff).

• Не обращайте внимания на бамп (bump) и дисплейсмент (displacement). Старательно притворяйтесь, что простая и абсолютно гладкая поверхность, которую вы создали, действительно существует в реальности.

• Активируйте устарелую симуляцию "Освещение окружения" (Ambient Lighting) и не используйте свойство света затухать обратно пропорционально квадрату расстояния. Исключение составляют только солнце и луна – им нужно включить эту возможность. Игнорируйте масштаб сцены.

• Всегда используйте жесткие (по краям, неразмытые) тени.

• Не используйте опции камеры из реального мира. Игнорируйте экспозицию (exposure), глубину резкости (depth of field) и ни за что не делайте движущиеся объекты размытыми (motion blur).

Использование этих инструкций гарантирует достижение вами невыразительной компьютерной графики.

Это самые распространенные ошибки новичков. Но это не значит, что этих правил всегда нужно избегать. Вообще-то, все их можно в полной мере использовать по определенным эстетическим или техническим соображениям, но с осторожностью.

Все современные системы рендеринга, основанные на построении траектории луча света, используют физически-корректные расчеты (т. е. основанные на физических законах реального мира, но не физически точные, конечно). Поэтому так важно понимать принципы работы реальных материалов и реальных фото- и видеокамер, чтобы изучать освещение и материалы в КГ.

Создавая фотореалистичную картинку, мы делаем ее именно ФОТОреалистичной. Это означает, что когда мы рендерим сцену, то мы имитируем ФОТО и ВИДЕОизображение реального мира, а не то как МЫ ВИДИМ реальный мир.

Реальные объекты и их имитация с помощью 3d-геометрии.

Геометрия большинства компьютерных (CG) моделей не может сравниться с геометрией и микроструктурой объектов из реального мира.

Моделирование всех деталей не имеет смысла, поскольку такую модель будет сложно привязывать (rig) и текстурить (map). Также будет накладно вращать такую модель в окнах проекций 3d-редактора, поэтому мы используем карты дисплейсмента, бампа или нормалей (normal maps).

Совет: для достижения реалистичного результата - ВСЕГДА используйте бамп, а лучше дисплейсмент на ЛЮБОЙ поверхности.

К примеру, в любом фильме с применением КГ используют как МИНИМУМ цвет, бамп (и/или дисплейсмент) и карту зеркальности (specular) для КАЖДОЙ поверхности. Это в дополнение к тому, что для всех этих параметров создается вручную нарисованная текстура, а не просто выставляется числовое значение.

Грязь (Dirt).

Конечно, в архитектурной визуализации не делают грязные и старые дома (если сам клиент этого не захочет). Но грязь помогает «выдать» картинку за реалистичную.

Даже идеальное здание – никогда не идеально.

Грязь – это прекрасно, грязь – это детали, грязь – это масштаб. Запомните: чем мельче детали грязи, тем массивнее кажется объект.

Масштаб грязи говорит о масштабе объекта.

Моделируйте только то, что вы видите (используйте референсы (references) – примеры из реальной жизни, фото и видео справочную информацию).

По возможности моделируйте с точностью до пикселя, а не до 1/8 сантиметра. Используйте масштаб из реального мира. Измеряйте вашу модель если возможно.

Вы должны стараться сопроводить любую вашу модель текстурами большого разрешения и, конечно же, делайте развертку (unwrap) всех объектов.

Скругление углов, фаска.

Есть одна вещь, которая касается моделирования, но относится к освещению – это скругление граней, (fillet) - фаска. Фаску делают ради игры света на ней. Световые блики на фаске особым образом подчеркивает форму объекта со скругленными углами.

Но нужно тщательно продумывать размер скругления. Не нужно делать десятиметровые скругления на отдаленных зданиях для миленьких бликов, сделайте фаску реалистичных размеров.

Закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии гласит: любое отраженное значение не может быть больше, чем в начале (своего пути). Поэтому отражения объектов должны быть более тусклыми, чем сами отраженные объекты. Это обусловлено обратноквадратичным затуханием.

Тем не мене, лучшее серебряное зеркало отражает 99% света. Поэтому, никогда не отражайте больше света, чем излучили.

Яркость (brightness) также не должна принимать значения 0% или 100%, поскольку также должен выполняться закон сохранения энергии. Обычно нужно выставлять значение яркости для цвета (diffuse) около 20-80% для диэлектриков, но 0% для металлов.

Значение насыщенности цвета (saturation) тоже не должно быть 100%, держите его на уровне 80%, поскольку материал не может стопроцентно отражать (или поглощать) весь свет.

Свет.

Существует прямой и непрямой свет. Прямое освещение – это случай, когда луч попадает на поверхность и… там же останавливается. В этом случае свет не отбивается от поверхности. В реальном мире такое никогда не случается.

Обратноквадратичное затухание света (Inverse-square Light Falloff)означает, что с увеличением в два раза расстояния от источника света до объекта, яркость света уменьшается в 4 раза.

Световая перспектива (Light Perspective): чем дальше источник света (ИС), тем более однородным будет освещение.

Если вы отодвинете источник света в два раза дальше и увеличите яркость источника в 4 раза, то получите ту же саму интенсивность освещения, но радиус затухания будет больше.

Именно по этой причине для солнца, которое находится так далеко и имеет такие огромные размеры, не имеет смысла использовать обратноквадратичное затухание. Поэтому мы игнорируем это затухание в КГ и не используем его для солнца, луны и света от звезд.

Поэтому так важно запомнить одну штуку: очень важен реалистичный размер сцены, поскольку реалистичное затухание света неразрывно связано с размером сцены и яркостью источника.

Обратноквадратичное затухание отраженного света.

Если вы пододвинете источник света ближе к его зеркальному (не глянцевому) отражению, то размер его отражения увеличится, но не станет ярче. Чтобы это стало понятно, рассмотрим пример. Вы пододвинули источник света в 2 раза ближе к его зеркальному отражению. Как следствие, в 4 раза увеличилась яркость отраженного источника, НО ведь и площадь отраженного источника увеличилось в 4 раза. Поэтому суммарная яркость отражения не меняется.

Также, глянцевое отражение источника света может казаться ярче, чем зеркальное отражение. Но это за счет того, что площадь блика у глянцевого отражения больше (при других равных условиях). И хотя маленькое концентрированное зеркальное отражение на самом деле ярче, но мы этого не видим из-за ограниченного динамического диапазона.

Угол падения равен углу отражения.

Этот закон можно использовать для выставления камеры относительно зеркального объекта, который вам нужно осветить. Вы можете на глаз оценить, где нужно поместить источник, чтобы он отражался и попадал в камеру.

В 3ds Max есть инструмент выравнивания блика - «Place Highlight», с помощью которого можно поместить блик на объекте в нужное место.